53 000 t散货船节能优化的改造技术研究

黄光兵，黄树权，余献华

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433；2.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 201203)

0 引言

2021年6月，国际海事组织海洋环境保护委员会第76次会议通过了降低国际航运碳强度的技术和营运措施，其中现有船舶能效指数(EEXI)相关法规已明确适用于2023年以后首次进行年度、中期或防止大气污染证书(IAPP)更新验证的营运船舶，营运碳强度指标(CII)评级机制也将自2023年1月1日生效。如果一艘船舶的CII被评为E级，或者连续3 a被评为D级，那么船舶必须提交相应的整改计划并进行整改。在上述背景下，营运船的节能优化改造成为行业的热点之一。针对一些船龄较大、推进效率相对较差的船型，更换更高效的螺旋桨并安装水动力节能装置是一种十分有效的提升船舶能效水平和降低运营碳强度的技术措施。

53 000 t散货船是2005年前后设计的巴拿马型散货船，现市场存量超过100艘。本文对该散货船节能优化的改造技术进行研究，并通过CFD数值计算和船模试验对取得的节能效果进行验证。

1 基于CFD技术的方案设计及优化效果预报

53 000 t散货船进行节能优化时，对其建立了对船+桨前节能装置+高效桨系统相互干扰的流场、阻力和自航性能预报的CFD技术体系，对所采取的节能措施(含前置预旋导轮+高效螺旋桨+消涡鳍)实现了精确、快捷的数值预报。

1.1 高效螺旋桨设计和应用

53 000 t散货船原有的螺旋桨主要参数如下：直径5.9 m，盘面比0.53，叶数4，质量15 228 kg。该桨推进效率低，存在优化空间。运用CFD技术对其特性进行了分析，并根据分析数据进行了改造优化，得到了新的高效螺旋桨方案。优化后的螺旋桨见图1，盘面比0.516 8，质量15 150 kg。优化前后的螺旋桨敞水性能曲线(基于CFD预期的对比)见图2。根据优化前后螺旋桨的自航试验结果，得到的预期优化效果(基于CFD技术的预报)见表1，优化的螺旋桨可达到4%左右的节能效果。

表1 设计吃水状态螺旋桨优化效果

图1 优化后的高效螺旋桨

1.2 消涡鳍

根据对新设计桨流场特点分析，并结合流体计算软件对消涡鳍方案进行反复优化并完成选型设计。方案确定后，取螺旋桨设计点附近的进速系数=0.43进行CFD计算，计算域和网格分布模型见图3。计算结果如下：螺旋桨进速系数=0.416，推力系数=1.015，转矩系数=0.997，螺旋桨效率(相对值)=1.018。可见，安装消涡鳍后螺旋桨推力提高了1.5%，扭矩降低了约0.3%，螺旋桨的效率提升了1.9%。

Kt—推力系数；J0—进速系数；10Kq—扭矩系数；Eta0—敞水效率。

图3 螺旋桨加装消涡鳍时CFD计算域及网格分布

根据同级别散货船以往实船应用经验，消涡鳍安装在实船上的节能效果会比模型尺度CFD预报结果更优。预计此消涡鳍的实船节能效果为CFD预报值的1.5～2.0倍，可达到2.5%～3.0%。

1.3 前置预旋导轮

在桨前设置预旋导轮，可以减少船尾流动分离并改善进流场均匀性，恢复船体尾部表面产生的压力并额外形成推力，产生预旋入流以降低螺旋桨尾流旋转能量，从而提高螺旋桨效率。

53 000 t散货船结构吃水方形系数约为0.86，艉部线型较为肥大。运用CFD技术对船舶尾部伴流场的模拟分析发现，在螺旋桨盘面处存在2对漩涡(见图4)，因此在螺旋桨前安装前置预旋导轮(PSV)对艉部桨前伴流场进行调节将会起到较好的节能效果。

图4 不带节能装置时螺旋桨入口面流场分布图

为了预报PSV的节能效果，运用CFD技术对前置预旋导轮进行了阻力性能计算分析，见表2。从表中可以看出，加装PSV设计方案后船舶总阻力(包含船体、舵、节能装置)与不加装节能装置时的船舶总阻力基本相当，仅高0.46%。

表2 船体阻力性能比较分析

未加装PSV和加装PSV方案的节能效果评估结果见表3和表4。从表中结果对比可见，加装PSV后船舶收到功率降低了4.91%，而船后螺旋桨推进效率则提高了4.86%，因此可认为该方案的节能效果在3.54%左右。

表3 未加装PSV时船体自航性能分析

表4 加装PSV时船体自航性能分析

2 船模试验性能预报

为了进一步验证CFD计算结果，针对本次优化，进行了船模水池试验。试验内容包括原船螺旋桨敞水试验、新设计高效桨敞水试验、螺旋桨空泡试验及消涡鳍效用试验、原船螺旋桨船模阻力及自航试验、新设计桨船模的阻力及自航试验、新设计桨+前置预旋导轮船模的阻力及自航试验。模型试验预报结果见表5、表6。

表5 设计吃水功率预报结果对比及节能效果分析

表6 压载吃水功率预报结果对比及节能效果分析

3 对船舶油耗和EEXI及CII的优化评估

3.1 改装前后油耗分析

通过本次优化，设计吃水服务航速14 kn时，主机日油耗从28.31 t降低至26.06 t，降幅约8%；压载吃水服务航速14 kn时，主机日油耗由31.76 t降低至28.47 t，降幅约10%。节能降耗效果十分显著，对于推进营运船绿色改造具有重要的参考意义。

3.2 对EEXI的优化评估

参照EEXI的计算方法，通过本次优化，本船能效指数由5.72 g/(t·nm)降低至5.58 g/(t·nm)，优化幅度约为2.5%。

3.3 对CII的优化评估

本次针对CII的评估基于的运营假定条件见表7。基于MEPC第76次会议发布的船舶运营CII计算方法和CII基线计算方法，本船节能改造前计算得到的CII为5.35 g/(t·nm)，在2023年CII评级可定为C级，2026年评级为D级。该船节能改造后，同等运营条件下计算得到的CII为4.86 g/(t·nm)，CII降低了9.1%，2023年CII评级可定为B级，2026年评级为C级，优化效果显著。

表7 CII评估基于的运营假定条件

4 结论

(1)根据CFD计算结果，新的高效螺旋桨和原船螺旋桨相比，在设计吃水时可得到4.1%的节能效果。应用消涡鳍(HVAF)方案的节能效果可达到2.5%～3.0%，应用前置预旋导轮(PSV)方案在模型尺度时的节能效果可达3.54%。

(2)根据船模试验预报，在设计吃水和压载吃水时，换装高效桨达到的节能效果约为4%；同时，再增加伴流导轮和消涡鳍，压载吃水和设计吃水节能效果分别可达约10%和8%。

(3)CFD计算和船模试验预报结果相当，证明了针对该船推进性能优化的节能效果显著。基于本次优化，船舶的能效指数可提升约2.5%。本文运营假定计算得到的CII降低约9.1%，按照2023年CII评级要求，可由C级优化至B级，2026年可由D级优化至C级。